【導讀】圖形處理單元(GPU)、張量處理單元(TPU)和其他類型的專用集成電路(ASIC)通過提供并行處理能力來實現高性能計算，以滿足加速人工智能(AI)訓練和推理工作負載的需求。
AI需要大量的算力，尤其是在學習和推理時。這種需求不斷地將供電網絡的邊界推向前所未有的新水平。這些高密度工作負載變得愈加復雜，更高的瞬態需求推動配電網絡的每個部分都必須高效運行。AI加速卡嚴格的功耗要求對系統性能也有影響。本文將討論AI加速卡的配電網絡要求，剖析瞬變的影響，并介紹ADI公司針對這些需求提出的多相供電解決方案。
簡介
AI技術完全改變了計算架構，以復現模仿人腦的神經網絡。AI看似已廣泛存在，但實際上，驅動AI的技術仍在發展。專門用于AI計算的處理器加速器IC包括GPU、現場可編程門陣列(FPGA)、TPU和其他類型的ASIC。本文將它們統稱為xPU。
隨著AI技術部署快速推進，數據中心將繼續批量購買AI加速卡。根據Gartner的報告，2021年AI芯片收入總計超過340億美元，預計到2026年將增長至860億美元。1xPU采用大規模并行計算方案，與普通CPU相比，在AI性能方面實現了巨大飛躍。xPU擁有大量小內核，因此非常適合AI工作負載，有助于神經網絡訓練和AI推理。然而，xPU進行AI計算和移動數據通常會產生相對較大的功耗。簡而言之，xPU是非常耗電的IC。其嚴格的功耗要求對AI加速卡提出了新的挑戰，這也會影響系統性能。本文將分析AI加速卡的供電網絡要求，并介紹ADI公司針對這些嚴格要求提出的多相供電解決方案。
AI帶來的供電挑戰
AI涉及許多方面，但能效不在其中。AI工作時，尤其是處理深度學習和推理等AI工作負載時，需要極高的計算功率。在系統層面，AI加速器對于提供近乎即時的結果（正是這些結果使其有價值）發揮著關鍵作用。所有xPU都有多個高端內核，這些內核由數十億個晶體管構成，消耗數百安培電流。這些xPU的內核電壓(VCORE)已降至低于1.0 V的水平。圖1顯示了AI加速卡的通用框圖。本文將重點介紹為此類系統提出的多相控制器和相應的功率級IC。
圖1.通用AI加速卡框圖
AI加速卡所需的峰值電流密度對于任何主板來說都是非常沉重的負擔，難以處理。工作負載的高度動態特性和極高的電流瞬變會導致非常高的di/dt和持續數微秒的尖峰電壓瞬變，這些瞬變非常具有破壞性，可能對xPU造成損害。AI的平均工作負載會持續很長時間，解耦電容將無法始終提供滿足即時需求的能量。本文的下一部分將介紹ADI公司提出的多相負載點(PoL)解決方案，它會消除典型AI加速器的瞬變，避免給整個配電網絡產生壓力。但首先，我們來討論AI帶來的電源設計挑戰。
AI帶來新的電源設計挑戰
目前，AI功率需求遠遠超過傳統供電網絡的能力。xPU穩壓器(VR)的要求與標準PoL穩壓器有很大不同。業界發現，某些應用要求在小于1 V的電壓下為xPU提供超過1000 A的電流。重要的是，電源必須非常穩定，產生的噪聲非常小，同時消除所有電壓瞬變可能性，以免導致xPU內部誤觸發。為了應對驚人的電流需求，高性能AI加速器VR PoL的設計必須滿足某些關鍵要求。
電壓尖峰和瞬變管理
AI加速卡的關鍵要求之一是VR的架構應能提供出色的瞬變電壓管理。向任何系統提供千瓦級功率始終是首要挑戰。輸出電壓（包括容差、紋波以及負載瞬態驟降和峰值）必須始終高于xPU最小電壓以避免系統掛起，并且還必須始終低于xPU最大電壓以免損壞xPU。加速卡的瞬態功率尖峰可能要求達到最大熱功率目標的2倍甚至更高。
這里重要的是，PoL環路帶寬須足夠靈活，以處理所遇到的各類更快速瞬變。帶寬越高，環路響應越快，電壓偏差越小。實現快速瞬態電源軌較直接的一種方法是選擇具有快速瞬態性能的穩壓器。ADI AI VCORE系列IC具有非常低的頻率輸出噪聲、快速瞬態響應和高效率等特性。除此之外，ADI AI電源芯片組還支持負載線路，有助于電源設計人員有效管理AI工作負載引起的瞬變和尖峰。
長電源路徑走線中的I2R損耗和熱管理
隨著AI xPU處理器電流不斷提高，PoL供電解決方案的密度已成為關鍵要素。既要可靠地向xPU的每個部分供電，同時不用擔心散發的熱量會影響芯片的可靠性并導致熱失控，現在變得極其困難。換言之，熱管理是設計這種高功率電源所面臨的重大挑戰之一。傳統的供電方法是將穩壓器放置在xPU的一側，以便將電力橫向傳輸到處理器。這些走線的電阻哪怕再小，也可能引起不可接受的電壓(I2R)下降。PCB電源層電阻上的壓降會隨著xPU電流提高而成比例地增加。這意味著VR和BGA引腳之間幾厘米的PCB電源走線會產生大量的損耗。PCB銅電源層中的此類損耗已成為計算穩壓器設計效率和性能的主導因素。傳統3芯片（分立式）供電解決方案需要大量高電流走線，與之相比，使用集成了電流和溫度電路模塊的單芯片功率級IC，可以大大減少PCB上的走線數量。
ADI價值主張：MAX16602 + MAX20790 + 耦合電感
AI穩壓器的精度變得更加嚴格。效率和尺寸是重中之重。性能和功耗也受到嚴格審查。正如上一節所述，解決AI加速卡VR設計問題已成為一項艱巨的任務。設計人員非常清楚，若不能有效處理不必要的瞬態效應，就無法在所需電流中產生大的階躍。解決這些瞬態效應還需要某種類型的高精度動態電壓定位或負載線路方案。ADI公司大力投資AI市場，為48 V和12 V系統提供全套解決方案。本節介紹ADI AI多相電源芯片組，即MAX16602多相控制器和MAX20790功率級，以及我們獲得專利的耦合電感(CL)技術，以幫助解決這些AI PoL設計挑戰。圖2顯示了8相MAX16602CL8_EV設計的MAX16602、MAX20790和CL簡化框圖連接。這種相對簡潔的設計實現了每相約88 APK的高電流傳輸能力。內部補償和先進的控制算法，加上功率級中集成的電流檢測電路以及耦合電感，使其成為擁有出色效率的小尺寸解決方案。
圖2.采用ADI高集成度電源芯片組的8相VR設計有助于實現高密度設計，同時減少外部連接
更高集成度的單芯片智能功率級IC
MAX20790是一款功能豐富的智能功率級IC，旨在與MAX16602（以及該產品系列中的其他幾款ADI控制器）配合使用，以實現高密度多相穩壓器。這是一種單芯片集成，幾乎消除了分立式設計中常見的FET和驅動器之間的寄生電阻和電感，從而實現高開關速度，而且功率損耗明顯低于傳統方案。如果檢測到開關節點(VX)故障，功率級會立即關閉，并將故障ID傳送給控制器。該智能功率級IC還有一個片內電流傳感器。此電流檢測電路模塊顯然優于使用電感直流電阻的方法。眾所周知，DCR檢測不準確，需要溫度補償才能使電流測量結果可信。
控制器IC
MAX16602是一款用于xPU VCORE VR的多相控制器。該IC提供高密度、靈活且可擴展的解決方案，可為AI xPU供電。該器件支持脈沖寬度調制(PWM)并聯，可控制多達16個相位。該IC的架構簡化了設計，減少了組件數量，支持高級電源管理和遙測功能，并在整個負載范圍內提高了節能效果。它實現了自主切相，在整個負載范圍內保持高效率。完整芯片組是一個高效率多相降壓轉換器，具有廣泛的狀態和參數測量特性。保護和關斷參數通過串行PMBus?接口進行設置和監測，甚至包括功率級IC中收集的故障。
以下是該ADI控制器支持的其他幾個關鍵特性，這些特性對于任何AI供電方案都很重要。
高級調制方案
MAX16602利用高級調制方案(AMS)來提供更好的瞬態響應。該調制方案支持以極短的延遲開啟和關閉相位。根據負載需求，當負載增加時，可以同時開啟多個相位；當負載釋放時，可以立即關閉多個相位。啟用AMS后，系統閉環帶寬可以擴展，而不會造成相位裕量損失。因此，PoL能夠更好地響應AI VR的即時和動態電流需求。
負載線路控制
負載線路允許VCORE根據輸出電流在最小值和最大值之間變換。它實質上是為輕負載設置高VCORE值，為重負載設置低值。主要是為了讓控制環路可以處理更高的負載電流（這是讓計算順利進行所必需的）。ADI控制器在整個輸出電流范圍內提供準確的輸出負載線路控制。輸出電壓定位利用來自功率級IC的無損電流檢測信號進行，這些信號會反饋到控制器。負載線路是在控制器中通過對電壓控制環路誤差放大器的直流增益進行數字編程來設置。控制器的EC表和數據手冊的表6中提供了各種直流負載線路特性，從0.105 mΩ到0.979 mΩ。圖3顯示了16相PoL設計在40 A至360 A負載階躍和800 A/μs擺率下的瞬態曲線。結果表明過沖極小。
總而言之，ADI的多相功率轉換和PoL產品提供高效率和高功率密度。圖5顯示了我們的16相MAX16602 + MAX20790 + CLH1110-4評估板的效率曲線以及偏置和電感損耗。ADI公司為各種AI加速器應用提供穩壓器和其他電源轉換解決方案。采用我們的多相控制器和集成功率級解決方案，有助于ADI客戶滿足嚴苛的動態xPU電源要求，應對當今AI應用帶來的設計挑戰。
圖3.16相VR在40 A至360 A階躍負載和800 A/μs擺率下的瞬態曲線
設計中添加有源電壓定位可以降低對負載瞬態響應的要求，并更好地利用xPU總容差窗口。負載線路控制有助于降低給定階躍負載的峰峰值輸出電壓偏差，同時可以減少輸出軌上的bulk電容量。總電壓波動將會減小，從而降低xPU崩潰或損壞的風險。請注意，MAX16602中的負載線路電路模塊可以禁用。
耦合電感(CL)的優勢
十多年來，ADI公司一直投資開發其專利CL技術。這項技術支持實現更高的密度、更大的帶寬、更快的瞬變解決方案，與分立式實現方案相比，效率提高50%，磁性元件尺寸縮小1.82倍。CL能夠有效地在穩態中用作大電感，在瞬態中用作小電感，除了減小電感尺寸外，還能節省COUT。2圖4顯示了ADI多相VR設計中常用的耦合電感系列。
圖4.ADI多相VR設計常用的耦合電感系列
根據設計規格和優先級，耦合電感消除電流紋波的優勢可用來換取更小的尺寸或更高的效率。1較大的系統優勢以及ADI產品的與眾不同之處在于，AI PoL設計人員可以使用CL相對輕松地實現VR總尺寸較小的解決方案。幾家知名磁性器件供應商擁有ADI的免費CL許可，可以為我們提供所需的元件。
頂部散熱封裝
頂部散熱為表面貼裝封裝提供了另一種散熱途徑。MAX16602和MAX20790都是倒裝芯片四方扁平無引線(FCQFN)封裝，帶裸露的頂部散熱焊盤。FCQFN是一種先進的封裝，可提供設計人員青睞的出色熱性能。這種無引線封裝不僅可以減少寄生電感，還能從器件的結直接向周圍環境散熱。MAX20790的結殼頂部(θJC-TOP)熱阻為0.25°C/W。AI電源設計利用頂端散熱配置，可以提高系統的熱性能和設計靈活性。
圖5.16相AI VR評估板設計的效率曲線
垂直供電
隨著處理復雜AI功能的xPU問世，功耗隨之急劇增加。具有高達650 A連續電流和超過1000 A峰值電流傳輸能力的VR開始普及。為AI處理器供電的挑戰在于保持高效率。常規電源架構無法跟上這些非常耗電的AI xPU的步伐。VR芯片制造商和架構師正在從根本上研究不同的供電方法。業界正在討論一種為AI xPU供電的新趨勢，稱為垂直供電，也稱為背面供電。
VR必須盡可能靠近負載輸入xPU電源引腳，以實現高電流輸送。我們無法通過傳統的橫向供電方法實現這一目標。垂直供電將電源調節器移到處理器正下方，從而消除了PCB上可能產生的所有損耗。該結構將電源轉換器、功率級、電容和磁性元件放置在PCB的背面，并通過過孔垂直地向xPU供電。換言之，電流傳輸是從xPU BGA陣列下方垂直進行。這是一條長度縮短的垂直路徑，可顯著降低阻抗并消除損耗。圖6顯示了安裝在PCB另一側、xPU下方的垂直供電模塊架構。此示意圖僅用于說明。ADI公司擁有廣泛的AI xPU VCORE解決方案系列，用于解決當今的這些問題。我們的電源解決方案能夠以非常小的外形尺寸實現出色的效率。本文介紹的解決方案將多相控制器MAX16602和智能單芯片功率級MAX20790相結合，可提供非常高的電源轉換效率、非常快的瞬態響應和非常準確的遙測報告。如需了解這些電源芯片組的更多信息或購買MAX16602CL8評估套件，請單擊此處。
參考文獻
1 “Forecast: AI Semiconductors, Worldwide, 2021-2027.” Gartner, April 2023.
1“預測：2021-2027全球AI半導體。”Gartner，2023年4月。
2 “Utilizing the Benefits of Coupled Inductors.” Analog Devices, Inc.
2“利用耦合電感的優勢。”ADI公司。
圖6.垂直供電模塊架構（僅用于說明目的）
構建垂直供電解決方案的難點包括解決模塊的重量和安裝問題。PCB另一側的xPU下方比較適合放置高頻解耦電容，用于儲存能量以滿足瞬時能量需求。垂直供電與ADI的CL技術相結合，可實現更高的電流密度、功率密度和更快的瞬態性能。垂直供電為ADI等PoL制造商提供了新的創新機會，并以自己的方式繼續支持摩爾定律的發展。
結語
支持機器學習和深度學習的加速卡通過提供加速訓練和推理工作負載所需的并行處理能力，將AI從理論變為現實。為高性能AI加速卡設計VR PoL是一項復雜的任務，尤其是在當前先進xPU的電源要求（表現在電流水平和電壓精度方面）不斷提高的情況下。
本文表明，xPU VR的要求與標準PoL調節器有很大不同。xPU供電軌具有極快的負載變化，需要動態電壓定位或負載線路，并且必須很小。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Hamed M. Sanogo是ADI公司全球應用部門的云和通信終端市場專家。Hamed擁有密歇根大學迪爾本分校的電子工程碩士學位，之后還獲得了達拉斯大學的工商管理碩士學位。在加入ADI公司之前，畢業后的Hamed曾在通用汽車擔任高級設計工程師，并在摩托羅拉系統擔任過高級電氣工程師以及Node B和RRH基帶卡設計師。在過去的17年里，Hamed擔任過不同的職務，包括FAE/FAE經理、產品線經理，目前是通信和云終端市場專家。
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